感应加热微通道和中通道处理系统的方法和装置与流程

背景技术：

1、过去，需要热量的微通道和中通道单元要么包含输送预热流体的流体通道，要么在通道内产生热量-例如通过放热化学反应-或者它们通过单元的外壁接收热量。感应在需要加热的通道内和/或紧邻需要加热的通道产生的热量是有利的，因为它减少了交替通道所需的体积，并且还降低了通过单元结构传导热量的传热效率低下/不可逆性，从而导致一种过程密集且热力学效率高于替代方案的系统。

2、下面讨论的三个专利文件通过引用全文并入，包括本文所用术语的定义。

3、题为“solar thermochemical processing system and method”的美国专利9,950,305介绍了一种微/中通道反应器的设计，该反应器使用集中的太阳能来驱动高温化学反应，例如甲烷蒸汽重整或逆水煤气变换反应。反应器本身是一个饼状单元，其中反应物通过径向通道从反应器盘的中心输送到边缘，然后通过另外的热交换通道再次返回，另外的热交换通道以逆流方向流向反应通道。通过引导来自抛物面碟式集中器的辐射能，热量被添加到用于吸热反应的系统中。

4、公布的美国专利申请us20200298197题为“reactor assemblies and methods ofperforming reaction”，介绍了一种改进的微/中通道反应器的设计，其中向外流动的反应通道配置为弯曲或螺旋排列和/或向内流动的热交换通道以类似的布置配置，实现逆向流动操作。该系统的主要改进在于，通道以比第一份专利文件中的反应器更有效的方式传热，从而减轻了碟式集中器的不均匀热量，减少了反应器表面热点的大小及其对反应器内流体流动分布的潜在负面影响。

5、公布的美国专利申请us20200001265题为“enhanced microchannel ormesochannel devices and methods of additively manufacturing the same”，介绍了打印微通道和中通道反应器的3d方法，包括通过3d打印(也称为增材制造)实现的设计改进。3d打印为微通道和中通道单元提供了优势，包括有机会通过改变金属粉末的成分或在单元打印时插入结构(例如通量集中器)来改变结构的磁性。这是特别有趣的，因为它允许人们设计将交变电磁场(emf)引导和/或集中到目标点的结构-包括使用建设性或破坏性干扰-以便热量优先提供给结构的某些部分。该专利申请描述了第二份专利文件的逆向横流设计与第三份专利文件的方法的组合，进一步组合并适用于有效地结合感应加热，如本临时专利申请中所示。

技术实现思路

1、本发明提供了用于感应加热微通道和中通道反应器、热交换器、汽化器和分离单元的方法、系统和装置。

2、该方法包括在微通道或中通道装置内感应交变电磁场，产生涡流，通过焦耳加热产生热量。如果被加热的材料是铁磁性的，也会通过磁滞损失产生热量。在一个简单的版本中，它类似于灶台炉子的感应加热器，但在更有效的装置中，它优先将热量引导到需要热量的流体通道。

3、本发明还提供了一种化学转化器。化学转化器类似于电力转化器，因为它连接到气体电网(如天然气电网)，也许还连有电网，并进行转化，使作为气体电网主体的分子能够更好地传输和分配、储存或使用。当连接到电网时，它也将电能(千瓦时)转换为化学能(千瓦时)，随后可在燃料电池或其他发电装置中恢复为电能，从而提供了一种方便的能源储存手段。化学转化器是一个处理密集型的化学加工厂，通过加入微通道和中通道反应器、热交换器和分离器，获得了效率和生产力的优势，因此与传统的能源转换和化学加工技术相比，获得了体积和占地面积的减少。它的优势还在于可以大规模生产，并且可以放在需要化学产品的地方附近。

4、本发明包括上述的任何部件、制作或组装装置的方法、可组装成装置的套件、或方法或系统。系统既可以包括固体元件，也可以包括液体和固体元件内部或周围的任何选定条件(温度、压力、电场或磁场，等等)。本发明可包括转换或以其他方式改变化学品或化学化合物的物理特性的系统或方法。这些组件或装置可以是这里描述的组件的任何组合。本发明可以选择或另外以特性来描述，例如至少拥有这里描述的数值，或在±10％，或±20％，或±30％范围内。

5、在一个方面，本发明提供了一种化学处理器，包括：一个加工层，它有一个顶壁，适合在交变磁场的作用下加热，一个与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；处理层包括适合流体流动的通道以及适合流体流入和流出处理层的入口和出口；邻近处理层底壁的传热层；该传热层具有顶壁、与顶壁相对的底壁以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括一个适合流体流动的通道以及一个入口和一个出口，以便流体可以流入和流出传热层；其中，处理层的出口与传热层的入口相连，以便流体可以流出处理层并进入传热层；其中，处理层的底壁是传热层的顶壁，或者是壁面有热接触的地方；以及一个感应器，其被配置为在处理层的顶壁产生交变磁场。

6、本发明的进一步特点是具有以下一个或任何组合：其中，处理层包括多个微通道或中通道；其中，传热层包括多个微通道或中通道；其中，在操作期间，传热层中的流动与处理层中的流动方向相反；其中，流动是横流动，即传热层中的多个微通道或中通道与处理层中的多个微通道或中通道重叠，使通道交叉，因此流动既是逆向流动，也是横流动；其中，感应器是饼状感应线圈，或环状感应线圈；进一步包括感应增强器；其中，顶壁在室温下是铁磁性的；顶壁在室温下是顺磁性的；进一步包括换热器，其中流向处理层的处理流被流离传热层的产品流加热；其中，顶壁包括多个通过金属钎焊连接到顶壁表面的感应增强器；其中，多个感应增强器包括至少20块感应增强器；其中，使用多个增强器可以防止或减少由于增强器和处理器壁之间的膨胀不匹配造成的损坏。本发明还包括一种包括本文所述装置的化学转化器。

7、在另一个方面，本发明提供了一种进行吸热化学过程的方法，包括：将处理流传入一个装置，该装置包括：一个处理层，该处理层具有一个顶壁，该顶壁适于响应交变磁场而加热，一个与该顶壁相对的底壁，以及设置在该顶壁和底壁之间的侧壁；该处理层包括一个适于流体流动的通道，以及一个适于流体流入和流出该处理层的入口和出口；处理流通过该处理层的通道；一个邻近该处理层底壁的传热层；该传热层具有一个顶壁，一个与该顶壁相对的底壁，以及配置在该顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括一个适合流体流动的通道以及一个入口和一个出口，以便流体可以流入和流出传热层；通过传热层的通道流动的传热流体；其中，处理层的底壁是传热层的顶壁或壁面有热接触的地方；其中，热量在传热通道中的传热流体和处理通道中的处理流之间传递；以及通过感应器在处理层的顶壁产生交变磁场；其中，顶壁被交变磁场加热，热量从顶壁传递到处理流。

8、本发明的进一步特点是具有以下一个或任何组合：其中，处理层的出口与换热层的进口相连；其中，换热层包括多个微通道或多个中通道，其中，处理流从处理层流出并进入换热层的多个微通道或多个中通道；其中，内热化学过程为化学反应；其中，化学过程为化学反应；其中，化学过程为催化化学反应；其中，化学反应包括重整反应或反水气移反应；其中，吸热化学过程包括汽化产品流；进一步包括在进入处理层之前的处理流与离开热交换层的产品流之间进行热交换的步骤；其中，吸热化学过程包括化学分离；其中，化学分离包括蒸馏或吸附；其中，传热流体包括处理层中化学反应的反应产物；其中，交变磁场的频率在1至100khz之间交替；和/或其中，交变磁场的频率在1至50khz之间。

9、在另一个方面，本发明提供了一种化学处理系统，包括：一个处理层，它有顶壁，该顶壁适于响应交变磁场而加热，与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；该处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出该处理层的入口和出口；处理流流经该处理层的通道；邻近该处理层底壁的传热层；该传热层有顶壁，与顶壁相对的底壁，以及设置在该顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括适合流体流动的通道以及入口和出口，以便流体可以流入和流出传热层；传热流体流经传热层的通道；其中，处理层的底壁是传热层的顶壁或壁面有热接触的地方；其中，热量在传热通道中的传热流体和处理通道中的处理流之间传递；以及感应器，用于在处理层的顶壁上产生交变磁场；其中，顶壁被交变磁场加热，热量从顶壁传递到处理流中。

10、本发明的进一步特点是具有以下一个或任何组合：其中，处理层的出口与传热层的入口相连；其中，传热层包括多个微通道或多个中通道，其中，处理流从处理层流出并进入传热层的多个微通道或多个中通道；其中，根据流体的能量含量的净增加与所消耗的电能的比率，系统能量效率大于50％(在一些实施方案中为50至约90％或50至约70％)，乘以100％；其中，根据流体的高热值的净增加与所消耗的电能的比率，系统化学效率大于70％(在一些实施方案中为70至约90％或70至约80％)，乘以100％。

11、在另一个方面，本发明提供了一种环形化学处理器，包括：由环形反应器壁界定的环形处理器，该处理器适于响应交变磁场而加热，并包括围绕环形反应器壁设置的感应器线圈；设置在环形反应器壁内的化学处理通道；以及化学处理通道包括一个入口和一个出口。环形反应器可包括本文所述的电感加热处理器的任何特征。例如，环形反应器可以进一步包括一个与化学处理通道相邻的传热通道。在一些实施方案中，化学处理通道包括多个通道，这些通道在径向上从中心轴附近延伸到环状体的外围附近。本发明还包括在环形反应器中进行吸热单元操作的方法。本发明还包括由环形反应器中的成分和条件组成的系统。

12、在另一个方面，本发明提供了一种饼状化学处理器，依次包括：第一饼状感应器，被配置为在第一加工层的顶壁上产生交变磁场；第一加工层，具有适于响应交变磁场而加热的顶壁，与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；该加工层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出加工层的入口和出口；邻近第一加工层底壁的传热层；传热层有顶壁，与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括适合流体流动的通道以及入口和出口，以便流体可以流入和流出传热层；其中，第一加工层的底壁是传热层的顶壁，或者壁的热接触处；第二处理层，其底壁适于响应交变磁场而加热，顶壁与底壁相对，侧壁设置在顶壁和底壁之间；第二处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出处理层的入口和出口；其中，第二处理层的顶壁是传热层的底壁或壁的热接触处；以及第二饼状感应器，其配置为在第二处理层的底壁产生交变磁场。

13、饼状反应器可包括本文所述的感应加热处理器的任何特征。例如，饼状反应器可进一步包括，在处理层和传热层包括从中心轴线辐射的通道，和/或处理层和传热层包括的通道被配置用于逆向横流热交换。本发明还包括在饼状反应器中进行吸热单元操作的方法。本发明还包括由饼状反应器中的成分和条件组成的系统。

14、在另一个方面，本发明提供了一种被动控制感应式加热内热机组运行温度的方法，包括：通过施加来自感应器的交变磁场来加热化学处理器的接收体；其中，接收体在室温下是亚铁磁性或铁磁性的；其中，处理流被接收体加热；其中，接收体包括居里温度；其中，处理流的温度接近居里温度的至少50℃以内，并且由于接近居里温度的至少50℃以内，接收体对化学反应物的磁感应强度降低至少10％或至少20％。在本说明中，磁感应强度是指体积磁感应强度。吸热单元操作可包括吸热反应、分离和/或汽化。在一些优选的实施方案中，化学反应物达到居里温度，其中，作为达到居里温度的结果，从接收体到化学反应物的热传递减少。“接收体”是指铁磁性和铁磁材料，包括易受体和感应增强器，在一些优选的实施方案中，接收体是设置在处理通道中的包层或插入物。

15、在另一个方面，本发明提供了一种被动控制感应加热化学反应温度的方法，包括：通过施加来自感应器的交变磁场来加热化学反应器的接收体；其中，接收体在室温下是亚铁磁性或铁磁性的；其中，化学反应物被接收体加热；其中，接收体包括居里温度；其中，化学反应物达到居里温度，并且由于达到居里温度，从接收体到化学反应物的热传递减少。

16、在另一个方面，本发明提供了一种化学转化器，包括：多个蒸汽转化器；多个换热器；其中，多个蒸汽转化器和多个换热器被安置在一个半六边形或半圆柱形的壳体中，或可打开形成半六边形的六边形壳体或可打开形成半圆柱形的圆柱形壳体。在这方面，术语六边形和圆柱形并不要求精确的几何尺寸，而是可识别的形状，允许组件在设置、维护或修理期间运输和打开以便接触。在一个优选的实施方案中，该化学转化器包括以下部件：多个蒸汽甲烷转化器；多个换热式热交换器；水气转换反应器；蒸汽发生器；和水冷凝器热交换器；其中，所有的组件都配置在半六边形或半圆柱形的壳体中，或可打开形成半六边形的六边形壳体，或可打开形成半圆柱形的圆柱形壳体。本发明包括生产氢气的方法，包括将碳氢化合物进入转化器。

17、在另一个方面，本发明提供了一种化学转化器系统，包括：多个蒸汽转化器，包括催化剂和含有蒸汽和碳氢化合物的气流；多个换热器，包括氢气；其中，多个蒸汽转化器和多个换热器被安置在一个半六边形或半圆柱形的壳体内，或可打开形成半六边形的六边形壳体内，或可打开形成半圆柱形的圆柱形壳体内。在这方面，术语六边形和圆柱形并不要求精确的几何尺寸，而是可识别的形状，允许组件在设置、维护或修理期间运输和打开以便接触。

18、在不同的实施方案中，包括化学转化器的设备、方法和系统可以包括本文所述的组合、结构特征和/或条件的一种或任何组合。

19、在另一个方面，本发明提供了一种维修化学转化器的方法，其中化学转化器被安置在六角形外壳或圆柱形外壳中，包括打开六角形外壳或圆柱形外壳，形成两个半六角形外壳或两个半圆柱形外壳，每个外壳都有一个开放面，并伸入外壳的开放面，以接触化学转化器的部件。

20、在另一个方面，本发明包括循环过程，如热摇摆吸附和热增强，或压力摇摆吸附。例如，在感应热被用来驱动处理层的解吸步骤，而在循环的另一个步骤中，热量被传热层中的较冷流体从处理层中移除。然而，另一种情况是热化学分水，将高温蒸汽引入处理通道中的金属材料，形成金属氧化物并产生氢气，这一放热过程的热量被较冷的流体或热交换层中的内热反应带走，然后在循环的另一个步骤中，感应加热使金属氧化物的温度充分提高，以驱除氧气。像这样包含多个电池，以不相位但协调的方式行动，可以实现更有效的热力运行。

21、术语汇编

22、作为标准的专利术语，"包括"意味着"包含"，这些术语都不排除存在额外的或复数的成分。在其他实施方案中，术语"包括"可以由限制性更强的短语"基本上由"或"由"取代。

23、"微通道"是具有至少一个内部尺寸(壁与壁之间，不包括催化剂)为1毫米或更小，且大于1微米(优选大于10微米)，在一些实施方案中为50至500微米的通道；优选一个微通道在至少1厘米，优选至少10厘米的长度范围内保持在这些尺寸。在一些实施方案中，长度在5至100厘米的范围内，在一些实施方案中在10至60厘米的范围内。微通道还通过存在至少一个与至少一个出口不同的进口来定义。微通道不仅仅是穿过沸石或多孔材料的通道。微通道的长度与通过微通道的流动方向相对应。微通道的高度和宽度基本上与通过通道的流动方向垂直。中通道的定义与此类似，只是其内部尺寸为1毫米至1厘米。通常情况下，设备包括多个微通道或中通道，它们共享共同的头部和共同的脚部。虽然有些设备只有一个头部和一个脚部；但一个微通道设备可以有多个头部和多个脚部。通道或歧管的体积是以内部空间为基础的。渠道壁不包括在体积计算中。催化剂可以是颗粒的形式，也可以是多孔固体的形式，如墙面涂层或插入反应通道的多孔体("催化剂插件")。在本发明中，催化剂插入物的支撑物可以是一种在交变磁场存在下加热的材料。颗粒指的是适合在微通道或中通道内的颗粒，如催化剂颗粒。优选的是，这些颗粒(如果存在的话)的尺寸(最大尺寸)为2毫米或更小，在一些实施方案中为1毫米或更小。颗粒大小可以通过筛子或显微镜或其他适当的技术来测量。对于相对较大的颗粒，则采用筛分法。颗粒物可以是催化剂、吸附剂或惰性材料。

24、在一些优选配置中，催化剂(用于蒸汽重整或其他化学反应)包括一个底层的大孔隙基质。优选的大孔隙基质的例子包括市面上的金属泡沫，更优选的是金属毛毡。在沉积任何涂层之前，大孔隙基材的孔隙率至少为5％，更优选30-99％，更优选70-98％。在一些优选的实施方案中，大孔隙基质的体积平均孔隙大小，如bet测量，为0.1微米或更大，更优选在1至500微米。多孔基质的优选形式是泡沫和毛毡，这些基质最好由热稳定的导电材料制成，最好是金属，如不锈钢或fecraly合金。这些多孔基质可以很薄，如0.1至1厘米之间。泡沫是连续的结构，在整个结构中具有界定孔隙的连续壁。另外，催化剂可以采取任何常规形式，如粉末或颗粒。

25、具有大孔隙的催化剂最好有5-98％的孔隙体积，更优选30-95％的多孔材料总体积。优选的是，至少20％(更优选至少50％)的材料孔隙体积由尺寸(直径)在0.1至300微米之间的孔隙组成，更优选0.3至200微米，更优选1至100微米。孔隙体积和孔径分布是通过水银孔径测量法(假设孔隙为圆柱形几何结构)和氮气吸附法测量的。众所周知，汞孔径测量法和氮气吸附法是相互补充的技术，汞孔径测量法对于测量大孔径(大于30纳米)更加准确，而氮气吸附法对于小孔径(小于50纳米)更加准确。孔径在大约0.1至300微米的范围内，使分子能够在大多数气相催化条件下通过这些材料进行分子扩散。催化剂插入物最好具有1厘米或以下的高度，在一些实施方案中，高度和宽度为0.1至1.0厘米。在一些实施方案中，多孔插入物至少占微通道横截面积的60％，在一些实施方案中至少占90％。在另一个优选的实施方案中，催化剂是反应通道内的材料涂层(如洗涤涂层)。

26、在许多实施方案中，感应器为内热蒸汽甲烷重整反应的异质催化剂提供热量。预计其他吸热过程也包括其他吸热化学反应，如甲烷与二氧化碳的干重整或反向水气转移反应。优选的是，热交换功能实现了反应通道长度上的温度轨迹，以促进更大的化学转化。其他例子是热泵或化学分离的吸附过程。例如，太阳能热泵利用吸收(液体溶剂)或吸附(固体吸附剂)热泵循环将热量从较低温度转移到较高温度。一个例子是用固体吸附剂代替上述发明中的催化剂，该吸附剂在低温和高压下吸附制冷剂，在高温和高压下利用太阳能进行解吸。应用包括建筑采暖通风和空调(hvac)以及制冷。同样，该吸附剂可用于热摇摆吸附(tsa)过程中的化学分离，或热增强的变压吸附(psa)过程。一种应用是从大气中、从合成气生产系统(如本文所述的h2生产/蒸汽重整应用)、发电厂废水或其他潜在来源中捕获二氧化碳。

27、催化化学反应是非常有名的，适当的条件和催化剂也是非常有名的，不需要在这里描述；只要确定催化剂是重整催化剂，或萨巴蒂尔催化剂(通常是ni或ru/al2o3)，合成氨(通常是ru，或氧化铁，或co-mo-n)，或逆水移气反应(常见的催化剂包括铁、铬的氧化物，也可选择镁)就足够了。

28、在一些优选的实施方案中，本发明通过蒸汽或干重整将甲烷或其他烷烃或混合碳氢化合物转换为氢气。蒸汽转化过程需要碳氢化合物(或碳氢化合物)和蒸汽(h2o)。反应物混合物可以包括其他成分，如co或非反应性稀释剂，如氮气或其他惰性气体。在一些优选处理中，反应流基本上由碳氢化合物和蒸汽组成。在一些优选的实施方案中，反应物流中的蒸汽与碳的比例为3比1至1比1，在一些实施方案中为1.5比1或更少。碳氢化合物包括：烷烃、烯烃、醇类、芳烃以及它们的组合。碳氢化合物可以是天然气。优选的烷烃是c1-c10烷烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和异辛烷。蒸汽转化催化剂最好包括以下一种或多种催化活性材料：钌、铑、铱、镍、钯、铂，以及它们的组合。铑是特别优选的。在一些优选的实施方案中，催化剂(包括所有支撑材料)含有0.5至10重量％的rh，更优选1至3重量％的rh。催化剂还可以包含一个用于催化活性材料的氧化铝载体。一个"氧化铝支架"包含与氧原子结合的铝原子，还可以有其他元素。优选的是，氧化铝载体包括稳定元素，以提高催化剂在水热条件下的稳定性。稳定元素的例子有mg、ba、la和y，以及这些元素的组合。更好的是，催化活性材料(如rh)以小颗粒的形式存在于氧化铝载体的表面。蒸汽重整反应最好在400℃以上进行，更优选500-1000℃，更优选650-900℃。该反应可以在从亚环境到非常高的广泛压力范围内运行，在一些实施方案中，该过程在10大气压到30大气压的压力下进行，更优选12大气压到25大气压。h2o分压优选为至少0.2个大气压，在一些实施例中为至少2个大气压，在一些实施例中为5个大气压至20个大气压。

29、含有催化剂的通道是一个反应通道。更一般地说，反应通道是一个发生反应的通道。反应通道壁最好由铁基合金制成，如钢，或镍基、钴基或铁基超级合金，如haynes。反应通道壁的材料选择可能取决于反应器所要进行的反应。在一些实施方案中，反应室壁由不锈钢或组成，它经久耐用，具有良好的导热性。通常情况下，反应通道(通常是管)壁是由为微通道装置提供主要结构支持的材料形成的。

30、本发明还包括在本文所述的设备中实施单元操作的方法。

31、"单元操作"指化学反应、汽化、压缩、化学分离、蒸馏、冷凝、混合、加热或冷却。一个"单元操作"并不意味着仅仅是流体运输，尽管运输经常与单元操作一起发生。在一些优选的实施方案中，一个单元操作不仅仅是混合。

32、热交换流体可以流经与处理通道(最好是反应微通道或中通道)相邻的传热通道(最好是反应微通道或中通道)，可以是气体或液体或双相材料，在优选的实施方案中，热交换流体是用于回收反应通道中产生的热量的产物流。

33、磁通量集中器改善了壁面和电感器载流区之间的电磁耦合。通常情况下，磁通量集中器是铁磁材料。

34、感应增强器是一种材料或材料的组合，它被贴在化学处理机的一个区域(最好是微或中处理通道)上或放在其附近，以通过感应加热。该增强器包括至少一种铁磁性材料，在所需的处理温度下。

35、“热化学处理器”是一个系统的设备或部件，在该系统中，处理流受到热化学过程的影响，如反应(如蒸汽重整)、分离或汽化。至少有一部分处理流经历了化学反应、状态变化、或纯度或浓度的变化。在本发明使用感应加热的实施方案中，该过程是吸热的，或包括一个吸热阶段。